高密减氮对泰农18产量及氮素吸收利用的影响

查婷 代兴龙 董述鑫 徐海成 周晓燕 贺明荣

摘要：以大穗型品种泰农18为试验材料，设置4个施氮水平[不施氮（N0）、施氮量180 （N180）、240（N240）、300 kg/hm2（N300）]和3个种植密度[270（D270）、405（D405）、540万株/hm2（D540）]，研究了密植条件下减氮对冬小麦籽粒产量和氮素吸收利用的影响。结果表明，在D270种植密度下，产量随着氮肥施入量的增加而增加；在D405和D540种植密度下，产量均随氮肥施入量的增加呈现先增加后降低的趋势，且均以N180、N240产量最高。在D405（中密度）和 D540（高密度）种植条件下，将施氮量由240 kg/hm2降至180 kg/hm2可获得同等水平的籽粒产量，且以405万株/hm2的种植密度产量最高。对于获得最高产量的N180D405（9 252.6 kg/hm2）和N240D405（9 328.3 kg/hm2）处理，前者较后者的氮素吸收效率、氮素转化效率、氮素利用率分别高11.33%、3.65%、15.38%。表明适当密植和适量减氮相配合，可以获得较高产量并实现氮肥高效吸收利用，提高氮素利用率。本试验条件下，种植密度 405万株/hm2配合180 kg/hm2施氮量是泰农18高产高效生产的适宜配置。

关键词：冬小麦；氮肥；密度；籽粒产量；氮肥吸收利用

中图分类号：S512.1+10.62文献标识号：A文章编号：1001-4942（2016）07-0086-06

小麦是我国重要的粮食作物，小麦的高产高效生产对于确保国家粮食安全和农业生态安全具有重要意义。施氮水平和种植密度是影响冬小麦籽粒产量和氮素吸收利用的重要因素，且两者之间存在显著的互作效应[1]，协调两者之间的关系对于协同提高籽粒产量和氮素利用率具有重要意义。

小麦的氮素利用率是指单位供氮量（肥料氮+土壤氮）所能生产的籽粒产量，包括氮素吸收效率和氮素转化效率两个方面[2]。氮素吸收效率主要反映作物群体对供应氮素的吸收能力，与供氮量和地上部氮素积累量有关；氮素转化效率主要反映作物利用已经吸收的氮素进行籽粒生产的能力，与氮素收获指数成正比，与籽粒氮素含量成反比[3，4]。施氮水平和种植密度亦是通过影响氮素吸收效率和氮素转化效率从而改善小麦的氮素利用率。氮素是作物生长必需的矿质营养元素[5]。施氮提高了小麦产量，但过量施氮不利于小麦产量的进一步提升，甚至有所下降[6]。过量施氮不仅增加生产成本，还导致氮肥利用率低以及地下水和大气污染等一系列生态环境问题[7～9]。如何降低氮肥投入、提高植株氮素吸收和利用能力、维持一定产量水平或实现进一步增产，是目前小麦高产高效生产研究的重点之一。本课题组前期研究表明，适当增加小麦种植密度，可通过增加单位面积穗数实现小麦产量提高[10]，通过增加群体的初生根和次生根数，提高各个土层的根长密度，促进植株对不同土层尤其是下层土壤中的氮素吸收，提高地上部氮素积累量和氮素吸收效率[11]，进而提高氮素利用率，实现小麦产量和氮素利用率的协同提高[12]。可否适当增加种植密度，降低氮肥投入，提高氮肥的吸收和利用能力来维持或提高小麦产量和氮素利用率目前尚未可知。本试验选择大穗型冬小麦品种泰农18为供试材料，研究不同施氮水平和种植密度对冬小麦籽粒产量和氮素利用率的影响，以期阐明高密减氮对泰农18产量和氮素吸收利用的影响，从而为小麦高产高效生产提供理论依据和技术支撑。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验于2014-2015年在泰安市岱岳区大汶口镇东武村山东农业大学试验田进行。供试土壤为壤土，试验地前茬作物为玉米，玉米秸秆粉碎后于播前翻压还田。播前0～20 cm土层有机质含量为18.83 g/kg，全氮1.11 g/kg，碱解氮111.45 mg/kg，速效磷40.72 mg/kg，速效钾84.15 mg/kg；0～100 cm土壤硝态氮为149.18 kg/hm2，铵态氮为37.83 kg/hm2。

1.2试验设计

试验选用冬小麦品种泰农18为供试材料。采用裂区设计，以施氮（纯氮）量为主因素，设置0、180、240、300 kg/hm2四个水平（分别用N0、N180、N240和N300表示）；以种植密度为副因素，设置270、405、540 万株/hm2三个水平（分别用D270、D405和D540表示）。重复3次，小区面积为36 m2（24 m ×1.5 m），行距为23 cm，宽幅播种。氮肥为尿素（纯N含量46%），分别于播前和拔节期按4∶6施用。每处理均按P2O5 90 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2施用过磷酸钙和氯化钾，做基肥一次施用。小麦全生育期共灌水4次，分别为底墒水、越冬水、拔节水和开花水，其他田间管理措施如一般大田。

1.3测定内容与方法

1.3.1产量及产量构成成熟期各小区选取长势均匀一致的3 m2（2 m ×1.5 m）进行测产，将所有麦穗收集后脱粒并风干至恒重，称重，计算产量。

1.3.2土壤养分测定土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾和全氮含量分别采用水合热重铬酸钾氧化-比色法、碱解扩散法、碳酸氢钠浸提-钼锑比色法、醋酸铵浸提-火焰光度法和凯氏定氮法测定。

1.3.3植株含氮量测定成熟期在各小区内长势均匀一致的区域取30个单茎，按叶片、茎+叶鞘、颖壳+穗轴、籽粒分样，于105℃下杀青30 min，70℃烘干称重，粉碎后采用凯氏定氮法测氮含量。

1.3.4土壤无机态氮含量测定于播前用土钻按20 cm一层取0～100 cm土层土样，采用1 mol/L KCl溶液浸提，德国BRAN+LUEBBE公司生产的AA3流动分析仪测定土壤硝态氮和铵态氮含量（mg/kg）。

1.4氮素利用各指标计算

根据Moll等[2]和Dhugga等[13]的定义进行各指标计算：各器官氮素积累量=氮素含量×干物质量；氮素收获指数（NHI，%）=籽粒氮素积累量/地上部氮素积累量×100；氮素供应量=施氮量+播前0～100 cm土层无机态氮（硝态氮+铵态氮）积累量；氮素利用率（NUE，kg/kg）=籽粒干重/氮素供应量；氮素吸收效率（UPE，%）=地上部氮素积累量/氮素供应量×100；氮素转化效率（UTE，kg/kg）=籽粒干重/地上部氮素积累量。

2结果与分析

2.1施氮量和种植密度对泰农18籽粒产量及其构成因素的影响

如表1所示，增施氮肥或增加种植密度均有利于提高小麦成穗数；各施氮水平下穗粒数随着种植密度的增加呈现下降趋势，在N180和N240条件下较大，N300次之，N0最小；而粒重随着施氮量的增加呈现下降趋势。

由表1看出，施氮水平、种植密度对产量的影响显著。N0水平下，产量随着种植密度的增加而增加，N180和N240水平下，产量随着种植密度的增加呈现先升高后降低的趋势，而在N300水平下，产量在D270和D405间无显著差异，但均显著高于D540处理。在D270种植密度下，产量随着氮肥施入量的增加而增加，在D405和D540种植密度下，产量随氮肥投入量的增加呈现先增加后降低的趋势，以N180、N240产量较高。在高密度种植条件下（D405、D540），将施氮量由240 kg/hm2降至180 kg/hm2可获得同等水平的籽粒产量，并且以405 万株/hm2的种植密度最高，表明在适当密植栽培条件下可以通过以密补氮，在降低氮肥投入的条件下获得同等水平的高产。

2.2施氮量和种植密度对泰农18氮素利用率的影响

由表2看出，施氮水平、种植密度对氮素利用率的影响显著。在各种植密度下，氮素利用率均随着氮肥投入量的增加而降低；各施氮水平下，氮素利用率随种植密度的变化与产量的变化趋势相一致。对于获得较高产量的N180D405和N240D405处理二者比较，在适当密植栽培条件下，通过适量减氮在维持一定产量水平的同时，其氮素利用率提高15.38%。表明适当高密减氮栽培有利于提高小麦氮素利用率。

2.3施氮量和种植密度对泰农18氮素吸收效率的影响

氮素吸收效率受成熟期地上部氮素积累量和供氮量的共同作用。在各种植密度下，地上部氮素积累量随着氮素投入量的增加而显著增加，但其增加比例（48.89%）小于氮素投入的增加量（160.42%），故而导致其氮素吸收效率的降低（表2）。各施氮水平下，地上部氮素积累量随着种植密度的增加均表现为先升高后降低或维持的趋势，均在D405种植密度条件下获得较高的积累量（图1）；因相同施氮水平下供氮量一致，所以氮素吸收效率亦呈现先增后降或先增后维持的变化趋势（表2）。对于获得较高产量的N180D405和N240D405处理，虽然N180D405供氮量减少14.05%，但通过采用氮素吸收能力较强的密植栽培措施，其地上部氮素积累量仅降低4.31%，从而使得其氮素吸收效率提高11.33%。表明适当高密减氮栽培有利于提高小麦氮素吸收效率。

2.4施氮量和种植密度对泰农18氮素转化效率的影响

氮素转化效率与氮素收获指数成正比，与籽粒含氮量成反比。在不施氮条件下，氮素收获指数随种植密度的增加而增加，籽粒氮素含量随种植密度的增加而降低（图2），由此促使氮素转化效率随种植密度的增加而提高（表2）。在N180、N240和N300条件下，氮素收获指数随种植密度的增加而降低，籽粒氮素含量随种植密度的增加而升高（图2），由此导致氮素转化效率随种植密度的增加而降低（表2）。对于获得较高产量的N180D405和N240D405处理，N180D405在氮素收获指数维持在相同水平的前提下，籽粒氮素含量偏低，从而提高了氮素转化效率（3.65%）。表明适当高密减氮栽培可通过降低籽粒氮素含量提高小麦氮素转化效率。

3讨论

前人研究表明，随施氮量增加冬小麦产量呈现先增加后降低的趋势[14，15]，但氮素吸收效率和氮素转化效率均逐渐下降[16]。本试验结果表明，在低密度条件下，随着施氮量的增加籽粒产量一直增加，这与增施氮肥提高了单位面积成穗数有关；而在中密度和高密度条件下，随着施氮量的增加籽粒产量都是呈先增加后降低趋势，而高密度条件下超过一定的施氮量，籽粒产量下降的趋势更为明显。在各个种植密度下，随施氮量增加冬小麦的氮素吸收和转化效率均是下降的，这与前人研究基本一致[17]。

前人关于种植密度对产量影响的研究相对较多，随种植密度的增加冬小麦产量呈现线性增加[18，19]或先增加后降低[20～22]的趋势，这主要与选用的品种、密度梯度、施肥和当地环境因子有关。本试验结果表明，在N180和N240条件下，种植密度由270 万株/hm2提高到405 万株/hm2，籽粒产量显著提高，这与张娟等[17]的研究结果相一致，也表明在适当降低施氮投入下通过选用较高的种植密度可以获得高产；而继续提高种植密度至540 万株/hm2，籽粒产量显著降低，表明即使在低氮投入下也不能盲目增密，密度过高将会导致田间郁蔽、透风投光效果差、个体间竞争加剧等问题[23，24]，造成减产。

常规施氮条件下，适当增加种植密度有利于提高小麦根长密度，促进植株对于肥料氮和土壤氮的吸收，从而提高地上部氮素积累量、氮素吸收效率和氮素利用率，但氮素收获指数的降低和籽粒氮素含量的提高使得高密度群体不利于维持较高的氮素转化效率[10～12]，这也限制了高密度群体高产高效潜力的进一步挖掘。本试验中，在种植密度405 万株/hm2条件下，将施氮量从240 kg/hm2降低至180 kg/hm2，产量可维持在同一水平。相对于N240处理，利用密植小麦较强的氮素吸收能力，在N180施氮水平下的地上部氮素积累量下降幅度很低，从而在供氮量大幅下降的前提下提高了氮素吸收效率，为提高氮素利用率奠定了基础。并且由于N180条件下密植小麦籽粒氮素含量较低，从而在氮素收获指数维持相对稳定的情况下进一步提高了氮素转化效率，不仅改善了单纯增密条件下氮素转化效率下降的劣势[10，12]，并且进一步提高了小麦的氮素利用率。由此也表明，在适当密植条件下并不一定需要高氮肥投入，适量减氮条件下仍可获得高产，提高氮肥利用效率。

4结论

对于大穗型冬小麦品种泰农18而言，在施氮量从240 kg/hm2降低至180 kg/hm2条件下，通过选用适当的种植密度（D405），仍可获得与施氮240 kg/hm2相当的籽粒产量，并通过提高氮素吸收效率和氮素转化效率，进一步提高氮素利用率。本试验结果表明在小麦大田生产中，可通过适当密植和适量减氮相配合，在获得小麦高产的同时，提高氮素利用率，种植密度 405万株/hm2配合180 kg/hm2施氮量是泰农18高产高效生产的适宜配置。

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